基于物联网技术的食品生产机械自动化设计制造及算法实现

2023-11-10吴风乐

现代工业经济和信息化 2023年9期

吴风乐

（江苏省无锡技师学院，江苏无锡 214000）

0 引言

在市场经济飞速发展的背景下，食品行业在竞争激烈的市场中迎来了全新挑战。人们在选购食品时，不仅需要考虑食品的质量，而且还尤为注重食品的外观包装。在物联网时代下，食品行业为了提升产品销量，开始对食品的包装设计进行优化，进一步推动了食品包装技术与机械设备的创新，实现食品包装自动化生产，不仅有效节省了人工成本，而且还在一定程度上提升了食品包装生产的效率[1]。对于传统的食品包装设备而言，其自动化水平相对较低，难以满足现阶段市场发展需求。针对此种情况，本研究提出了一种基于物联网技术的自动化食品包装机械系统，在将其应用至食品包装设备中后，可有效提升食品包装机的生产效率，实现包装机的智能化控制。

1 现阶段食品包装机械系统存在的问题

现阶段，食品包装机主要通过安装系统控制器来控制包装参数。在食品包装成型之前，需确保系统的稳定性。通过系统控制器的作用，可确保横封刀轴、送膜轴和送料轴三个部分的运动一致，进而提升包装的完整性。然而，由于系统为线性设计，智能化水平相对较低，其中一个部件发生故障，将导致整个系统瘫痪，进而影响整个机械设备的运行效果[2]。

2 基于物联网技术的食品包装机械控制系统设计

本研究设计的自动化食品包装机械控制系统，其硬件架构主要是采用DSP 来连接触摸屏与伺服系统，实现设备的自动化运行。如图1 所示，系统硬件主要由传感器、触摸屏和DSP 等模块组成。

图1 控制系统硬件架构

在封装膜装置中，增设了卷膜辊、导向辊和驱动棍等部件，并且在导向辊处增设了传感器。在导向辊、驱动棍同时作用下，便可完成包装膜色标的追踪和打印，并且在封装过程中不会出现薄膜堆积或粘结拉扯的情况。此外，在传送装置中，由送料轴伺服电机直接提供动力，使其在工作过程中始终保持匀速状态。而横封切装置主要用于封膜的切割，可根据色标点对包装筒袋进行切割，进而实现食品的独立包装[3]。

2.1 触摸屏控制器设计

对于硬件系统中的触摸屏控制器（ADS）而言，主要由多路低导通电阻模拟开关组成，通过电路网络测量供电，使用A/D 转换器将数据输入至ADS 中，并发送相应的指令，进而实现模拟开关的导通，为ADS 电极提供电压。然后，再将电极上的触点坐标位置电压模拟量输送至A/D 中，如图2 所示。

图2 ADS 内部结构

ADS 不仅可展示设备的运行情况，而且具有提升系统稳定性的功能。此外，在实际工作中，操作人员还可通过触摸屏向系统发送指令。

该控制系统对上位机的要求相对较高，不仅需要具备多个串口通信，而且其扩展存储器需支持2 GB的SD 卡和U 盘，以便提升处理数据的效率。

2.2 核心DSP 控制模块的选取

本文选取的模块功率放大器主要为DA260 型号，其参数详见表1。

表1 功率放大器参数信息

2.3 伺服驱动器设计

选用130ST-M07725 驱动器，控制系统的运行速率。设计逻辑结构，通过数字信号处理器负责控制算法，来实现系统的数字化、智能化管理。当驱动器速度处于闭环状态时，电机转子可实时测量速度，并根据实际情况调整速度环的转速，进而提升系统速度运行精度。在三相全桥整流电路的作用下，功率驱动单元可对电路中输入的三相电进行整流处理，并将其转换成直流电。然后，再将其输入至电压型逆变器进行变频，驱动三相永磁式同步交流伺服电机。

3 模糊PID 算法

本研究提出的系统主要是通过模糊PID 算法进行控制，该算法具有操作简单、容易控制的优势。其工作原理为：首先，对输入信号进行模糊化处理，然后，将机械中的控制模糊规则与模糊化信号进行匹配，最终获取匹配成功的控制参数。通过模糊PID 算法，可以在线实时整改机械设备运行参数，将模糊PID 参数调整至最优。其工作原理如图3 所示。

图3 模糊PID 控制工作原理

式中：r（t）、y（t）和e（t）分别为输入信号、输出信号以及输入信号与输出信号之间的差值。

控制器的输出信号主要是由e（t）通过比例、积分和微分线性组合生成，即：

式中：kP、TI和TD分别为比例系数、积分时间系数和微分时间系数。

当机械设备运行时，控制系统将会对其进行模糊逻辑规则处理，进而完成PID 参数的在线实时校正，PID 算法实现流程如图4 所示。

图4 PID 算法实现流程

4 仿真实验验证

4.1 实验环境与参数

仿真实验主要是在MATLAB 平台进行。首先，在平台上建立相应的自动化控制系统，选择Win10 操作系统来控制机械设备包装食品，实验参数详见表2。

表2 实验参数设置

4.2 实验结果

本次试验主要是对比不同控制系统下（传统系统与本文系统）机械设备进行食品包装的稳定性与时效性，进而验证本文控制系统的可行性。

1）稳定性。通过实验可知，在包装样品数量相同的情况下，传统系统的操作稳定性相对较低，而优化系统的稳定性可达95%。

2）时效性。通过实验分析得知，在包装样品数量不断增加的情况下，两种系统（传统系统与优化系统）所消耗的时间均增加。但是，当包装样本数量一定时，本文系统所消耗的时间远远低于传统系统[4]。由此可知，本文设计的控制系统生产效率更高，不仅可有效提升机械识别运行的稳定性，而且还实现了机械设备的智能化控制，对于促进食品生产加工企业的发展具有十分重要的作用。